(57)【要約】【課題】系内からの水の散逸を抑制し、良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得る燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムを提供すること。【解決手段】疎水性電解質層２と親水性電解質層１を積層して成る燃料電池用電解質組成物である。疎水性電解質層２や親水性電解質層１がカチオン成分及びアニオン成分を含む。常温溶融塩を含む。  燃料電池用電解質組成物が空気極触媒層３及び拡散層４を有する膜電極接合体と、燃料極触媒層３及び拡散層４を有する電極接合体とで挟持された燃料電池である。  燃料電池を単セルとして備える燃料電池システムである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
疎水性の電解質層と親水性の電解質層とを含み、これらが積層構造をなしていることを特徴とする電解質組成物。
【請求項２】
上記親水性電解質層が、疎水性電解質層に挟持されていることを特徴とする請求項１に記載の電解質組成物。
【請求項３】
疎水性電解質層及び／又は親水性電解質層が、カチオン成分及びアニオン成分を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の解質組成物。
【請求項４】
上記疎水性電解質層が、分子性カチオン及び／又は分子性アニオンを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項５】
上記親水性電解質層が、分子性カチオン及び／又は分子性アニオンを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項６】
疎水性電解質層及び／又は親水性電解質層が、常温溶融塩を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の電解質組成物。
【請求項７】
上記親水性電解質層に含まれる分子性アニオンが、ＣＦ３ＳＯ３−イオン、（ＨＦ）ｎＦ−イオン（ｎは１〜３の実数）、ＨＳＯ４−イオン及びＨ２ＰＯ４−イオンから成る群より選ばれた少なくとも１種のものであることを特徴とする請求項請求項５又は６に記載の電解質組成物。
【請求項８】
上記疎水性電解質層に含まれる分子性アニオンが、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−イオンであることを特徴とする請求項５又は６に記載の電解質組成物。
【請求項９】
親水性電解質層に含まれる分子性カチオンが、以下の化学式１〜９
【化１】
2007073342.tif 000049
【化２】
2007073342.tif 000050
【化３】
2007073342.tif 000051
【化４】
2007073342.tif 000052
【化５】
2007073342.tif 000053
【化６】
2007073342.tif 000054
【化７】
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【化８】
2007073342.tif 000056
【化９】
2007073342.tif 000057
（化学式１〜９中のＲは、水素又は１価の有機基であって、炭素数３以下である。Ａは、酸素原子又は硫黄原子である。）
で表されるイオンから成る群より選ばれた少なくとも１種のものであり、かつ分子性アニオンが、ＰＦ６−イオンであることを特徴とする請求項５又は６に記載の電解質組成物。
【請求項１０】
親水性電解質層に含まれる分子性カチオンが、以下の化学式１０〜１８
【化１０】
2007073342.tif 000058
【化１１】
2007073342.tif 000059
【化１２】
2007073342.tif 000060
【化１３】
2007073342.tif 000061
【化１４】
2007073342.tif 000062
【化１５】
2007073342.tif 000063
【化１６】
2007073342.tif 000064
【化１７】
2007073342.tif 000065
【化１８】
2007073342.tif 000066
（化学式１０〜１８中のＲは、水素又は１価の有機基であって、炭素数７以下である。Ａは、酸素原子又は硫黄原子である。）
で表されるイオンから成る群より選ばれた少なくとも１種のものであり、かつ分子性アニオンが、ＢＦ４−イオンであることを特徴とする請求項５又は６に記載の電解質組成物。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の電解質組成物を用いた燃料電池であって、
電解質組成物が、電極で挟持されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
上記電解質組成物において、疎水性電解質層を燃料極、親水性電解質層を空気極に配置していることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の燃料電池を単セルとして備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムに係り、更に詳細には、所定の親水性電解質を含む燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムに関する。
【０００２】
かかる電解質組成物は、燃料電池の電解質膜として用いるのに有用である。
【背景技術】
【０００３】
従来から、イオン性液体を含む電解質を適用した燃料電池が提案されており、イオン性液体を用いたプロトン伝導体を適用し、無加湿運転を前提とする燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１２３７９１号公報
【０００４】
また、疎水性アニオンと疎水性カチオンから成るイオン性液体を適用し、イオン性液体への水の混入を防ぐ燃料電池も知られている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献２】特表２００３−５３５４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来は、イオン性液体を電解質として燃料電池に適用する場合には、水を含ませないで使用することを前提としていた。
また、水の混入により燃料電池の性能が悪化するという報告もあった。
【０００６】
これに対して、本発明者らは、親水性のイオン性液体含む電解質を燃料電池に適用したところ、水の存在時にプロトン伝導性が向上し、燃料電池の性能が向上することを知見した。
但し、系内の水分量を一定条件下で保持させることが困難であった。即ち、燃料電池の性能を安定化させることが困難であった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する課題及び新たな知見に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、系内からの水の散逸を抑制し、良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得る燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、疎水性の電解質層と親水性の電解質層とを並設することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明の燃料電池用電解質組成物は、疎水性の電解質層と親水性の電解質層とを含み、これらが積層構造をなしていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の燃料電池用電解質組成物の好適形態では、上記親水性電解質層が、疎水性電解質層に挟持されていることを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明の燃料電池用電解質組成物の他の好適形態は、疎水性電解質層及び／又は親水性電解質層が、分子性カチオン及び分子性アニオンから成ること、更には、常温溶融塩から成ることを特徴とする。
【００１２】
一方、本発明の燃料電池は、上記燃料電池用電解質組成物を用いた燃料電池であって、
燃料電池用電解質組成物が、触媒層と拡散層を有する膜電極接合体で挟持されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の燃料電池の好適形態は、疎水性電解質層が、燃料極触媒層及び拡散層を有する電極接合体と接触し、親水性電解質層が、燃料極触媒層及び拡散層を有する電極接合体と接触していることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明の燃料電池システムは、上記燃料電池を単セルとして備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、疎水性の電解質層と親水性の電解質層とを並設することとしたため、系内からの水の散逸を抑制し、良好なイオン伝導度やプロトン伝導度を発現し得る燃料電池用電解質組成物、これを用いた燃料電池及び燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の燃料電池用電解質組成物につき詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００１７】
上述の如く、本発明の燃料電池用電解質組成物は、疎水性の電解質層と親水性の電解質層とを含み、これらが積層構造をなしている。
【００１８】
これより、電解質内に水が保持されることから、燃料電池の電解質として適用するときは、継続的に優れた発電特性が得られる。また、上記疎水性電解質層は、親水性電解質層に含まれた水が燃料極側から散逸してしまうのを抑制する。更に、上記親水性電解質層は、空気極と直接接触させることで、空気極側で生成した水を効率良く利用できる。
【００１９】
燃料電池用電解質組成物内に所望の水分量を保持する観点から、上記親水性電解質層及び上記疎水性電解質層の層厚を適宜調整することができる。
例えば、疎水性電解質層（Ａ層）と水と共存している親水性電解質層（Ｂ層）の厚みは、Ｂ層を１００としたときの相対値で、Ａ層の厚みを１以上１００以下とすることが望ましい。
【００２０】
Ａ層の厚み比が１未満であると、Ｂ層からの水の散逸を充分に抑制できない恐れがある。Ａ層の厚み比が１００超であると、Ｂ層に対するＡ層の相対的な厚みが厚いため、Ｂ層に水を添加した効果が低下する恐れがある。Ｂ層に水を添加した効果を十分に得ることを考慮すると、Ａ層の厚みは５０以下であることがより望ましい。
【００２１】
また、親水性電解質層の含水量は、０．０１％以上５０％以下であることが望ましい。含水量が５０％を超えると、親水性電解質層から電解質が流出する恐れがある。含水量が０．０１％より少ないと、含水量が不十分となり目的とする効果が得られないことがある。
更に、含水量が２５％以下であることがより望ましく、親水性電解質層内での水の吸放出の制御が容易となる。
更にまた、含水量が１０％以下であることが特に望ましく、電解質内での水の吸収による電解質膜の形状変化を抑制しやすくなり、取り扱い易くなる。
【００２２】
また、上記親水性電解質層は、疎水性電解質層で挟持することもできる。
このときは、起動時を含めて、燃料電池用電解質組成物内に水分がより保持され得ることから、継続的に優れた発電特性を得ることが可能となる。言い換えれば、親水性電解質層に水を添加、保持することが容易になり、当該燃料電池用電解質組成物内におけるプロトン伝導性を向上させることができる。
【００２３】
更に、上記親水性電解質層を挟持する疎水性電解質層は、同種の材料で構成しても、異種の材料で構成しても良い。
同種の材料で構成するときは、同一の電解質材料を使用するので作製が容易になり、製造コストを低減できる。
また、異種の材料で構成するときは、燃料極、空気極での反応に適した材料を選択できる。電解質内に水分がより長期間保持されるように設計できる。起動時を含めて、継続的に優れた発電特性を得ることが可能となる。また、停止状態で親水性電解質層中から水分が散逸するのを効果的に抑制できる。
【００２４】
また、カチオン成分、アニオン成分のいずれか一方又は双方は、分子性であることが好適である。
【００２５】
このときは、目的に合わせて、多様なイオンの組み合わせを採用できるので有効である。
即ち、使用用途にあわせて、イオン伝導性、電気的耐性、安全性、耐熱性などの特性の異なる電解質材料が選択、利用可能となり、特に燃料電池用電解質として用いた場合は、優れた特性を得ることができる。
【００２６】
ここで、電解質材料として使用できるカチオン成分及びアニオン成分としては、単独の原子から形成される単原子性（原子性）のものと、複数個の原子から形成される多原子性（例えば、分子性）のものに大別でき、本発明ではいずれも使用可能である。
【００２７】
原子性のカチオン成分とアニオン成分を含有する電解質としては、代表的に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などが挙げられ、これらは高温で溶融塩状体となってイオン伝導性を発揮する。
また、原子性アニオン成分としては、代表的にハロゲン化物アニオン（Ｈａｌｏｇｅｎｉｄｅｓ  Ａｎｉｏｎ）であるフッ素アニオン［Ｆ−］や塩素アニオン［Ｃｌ−］、臭素アニオン［Ｂｒ−］、ヨウ素アニオン［Ｉ−］を挙げることができる。
【００２８】
ここで、分子性のカチオン成分とアニオン成分について、以下に具体例を挙げて説明する。
なお、本発明においては、以下に示すカチオン成分とアニオン成分を適宜組合わせて用いることができる。
【００２９】
上記カチオン成分の一種である分子性カチオンとしては、例えばイミダゾリウム誘導体カチオン、より具体的には化学式１９で表される一置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｍｏｎｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００３０】
【化１９】
2007073342.tif 000003
【００３１】
（式中のＲ１１は、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００３２】
そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基やブチル基などを挙げることができる。
【００３３】
また、化学式２０で表される二置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｄｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００３４】
【化２０】
2007073342.tif 000004
【００３５】
（式中のＲ２１及びＲ２２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００３６】
そして、Ｒ２１及びＲ２２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
【００３７】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ２１がメチル基であり、Ｒ２２がメチル基、エチル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基であるものや、Ｒ２１がエチル基であり、Ｒ２２がブチル基であるものなどを挙げることができる。
【００３８】
更に、化学式２１で表される三置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｔｒｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００３９】
【化２１】
2007073342.tif 000005
【００４０】
（式中のＲ３１〜Ｒ３３は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００４１】
そして、Ｒ３１〜Ｒ３３としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。
【００４２】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ３１がエチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がプロピル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がブチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキサデシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００４３】
また、化学式２２で表されるピリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００４４】
【化２２】
2007073342.tif 000006
【００４５】
（式中のＲ４１〜Ｒ４４は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００４６】
そして、Ｒ４１〜Ｒ４４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００４７】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ４１がエチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるもの、Ｒ４１がブチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４３がメチル基でありＲ４４が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４４がメチル基でありＲ４３が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がエチル基であるもの、Ｒ４１がヘキシル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４１がオクチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２およびＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００４８】
更に、化学式２３で表されるピロリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００４９】
【化２３】
2007073342.tif 000007
【００５０】
（式中のＲ５１及びＲ５２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００５１】
そして、Ｒ５１及びＲ５２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００５２】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ５１がメチル基であり、Ｒ５２がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、ヘキシル基であるもの、オクチル基であるもの、Ｒ５１がエチル基であり、Ｒ５２がブチル基であるもの、Ｒ５１及びＲ５２がプロピル基、ブチル基、ヘキシル基であるものなどを挙げることができる。
【００５３】
また、化学式２４で表されるアンモニウム誘導体カチオン（Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００５４】
【化２４】
2007073342.tif 000008
【００５５】
（式中のＲ６１〜Ｒ６４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００５６】
そして、Ｒ６１〜Ｒ６４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００５７】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ６１〜Ｒ６４がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、Ｒ６１がメチル基であり、Ｒ６２〜Ｒ６４がオクチル基であるものなどを挙げることができる。
【００５８】
更に、化学式２５で表されるホスフォニウム誘導体カチオン（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００５９】
【化２５】
2007073342.tif 000009
【００６０】
（式中のＲ７１〜Ｒ７４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００６１】
そして、Ｒ７１〜Ｒ７４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。
【００６２】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ７１がメチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやイソブチル基であるもの、Ｒ７１がエチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１〜Ｒ７４がブチル基であるものやオクチル基であるもの、Ｒ７１がテトラデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやヘキシル基であるもの、Ｒ７１がヘキサデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１がベンジル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がフェニル基であるものなどを挙げることができる。
【００６３】
また、化学式２６で表されるグアニジウム誘導体カチオン（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００６４】
【化２６】
2007073342.tif 000010
【００６５】
（式中のＲ８１〜Ｒ８６は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００６６】
そして、Ｒ８１〜Ｒ８６としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、プロピル基、イソプロピル基などを挙げることができる。
【００６７】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ８１〜Ｒ８６の全てが水素であるものやメチル基であるもの、Ｒ８１がエチル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がイソプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８６がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００６８】
更に、化学式２７で表されるイソウロニウム誘導体カチオン（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００６９】
【化２７】
2007073342.tif 000011
【００７０】
（式中のＲ９１〜Ｒ９５は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示し、Ａ９は酸素原子又は硫黄原子を示す。）を挙げることができる。
【００７１】
そして、Ｒ９１〜Ｒ９５としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基などを挙げることができる。
【００７２】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ａ９が酸素原子（Ｏ）であって、Ｒ９１〜Ｒ９５の全てがメチル基であるものやＲ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるもの、Ａ９が硫黄原子（Ｓ）であって、Ｒ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００７３】
一方、上記分子性アニオンとしては、例えば硫酸アニオン［ＳＯ４２−］、硫酸一水素アニオン［ＨＳＯ４−］又は化学式２８で表される硫酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆａｔｅｓ  ａｎｉｏｎ）；
【００７４】
【化２８】
2007073342.tif 000012
【００７５】
（式中のＲ１０１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００７６】
そして、Ｒ１０１としては、上述したＲ１１と同様のものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００７７】
また、代表的な具体例としては、Ｒ１０１がメチル基やエチル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基であるものなどを挙げることができる。
【００７８】
また、化学式２９で表されるスルホン酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ  ａｎｉｏｎ）；
【００７９】
【化２９】
2007073342.tif 000013
【００８０】
（式中のＲ１１１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基、更にはそのフッ素置換体を示す。）を挙げることができる。
【００８１】
そして、代表的な具体例としては、Ｒ１１１がフッ素置換されたメチル基（トリフルオロメタンサルフォネートアニオンに相当）であるもの、更にはｐ−トリル基（ｐ−トルエンスルホン酸アニオンに相当）であるものを挙げることができる。
【００８２】
更に、化学式３０〜３２で表されるアミドアニオン（Ａｍｉｄｅｓ  Ａｎｉｏｎ）又はイミドアニオン（Ｉｍｉｄｅｓ  Ａｎｉｏｎ）；
【００８３】
【化３０】
2007073342.tif 000014
【００８４】
【化３１】
2007073342.tif 000015
【００８５】
【化３２】
2007073342.tif 000016
【００８６】
を挙げることができる。
なお、アミドアニオンやイミドアニオンについては必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００８７】
また、化学式３３又は化学式３４で表されるメタンアニオン（Ｍｅｔｈａｎｅｓ  Ａｎｉｏｎ）；
【００８８】
【化３３】
2007073342.tif 000017
【００８９】
【化３４】
2007073342.tif 000018
【００９０】
を挙げることができる。
なお、メタンアニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００９１】
また、化学式３５〜４１で表されるホウ素含有化合物アニオン；
【００９２】
【化３５】
2007073342.tif 000019
【００９３】
【化３６】
2007073342.tif 000020
【００９４】
【化３７】
2007073342.tif 000021
【００９５】
【化３８】
2007073342.tif 000022
【００９６】
【化３９】
2007073342.tif 000023
【００９７】
【化４０】
2007073342.tif 000024
【００９８】
【化４１】
2007073342.tif 000025
【００９９】
を挙げることができる。
なお、ホウ素含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１００】
更に、化学式４２〜５０で表されるリン含有化合物アニオン；
【０１０１】
【化４２】
2007073342.tif 000026
【０１０２】
【化４３】
2007073342.tif 000027
【０１０３】
【化４４】
2007073342.tif 000028
【０１０４】
【化４５】
2007073342.tif 000029
【０１０５】
【化４６】
2007073342.tif 000030
【０１０６】
【化４７】
2007073342.tif 000031
【０１０７】
【化４８】
2007073342.tif 000032
【０１０８】
【化４９】
2007073342.tif 000033
【０１０９】
【化５０】
2007073342.tif 000034
【０１１０】
を挙げることができる。
なお、リン含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１１１】
更に、化学式５１又は５２で表されるカルボン酸アニオン；
【０１１２】
【化５１】
2007073342.tif 000035
【０１１３】
【化５２】
2007073342.tif 000036
【０１１４】
を挙げることができる。
なお、カルボン酸アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１１５】
更に、化学式５３又は５４で表される金属元素含有アニオン；
【０１１６】
【化５３】
2007073342.tif 000037
【０１１７】
【化５４】
2007073342.tif 000038
【０１１８】
を挙げることができる。
なお、金属元素含有アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１１９】
また、例えば、以下の化学式５５に示すような多価アニオンも好適に使用できる。
【０１２０】
【化５５】
2007073342.tif 000039
【０１２１】
上述のような分子性イオン成分を含む電解質材料を採用すれば、カチオン成分とアニオン成分の組合せの自由度が大きい外、材料選択の幅も拡大できる。
また、本発明の燃料電池用電解質組成物を燃料電池に適用するときは、当該電解質材料を好適化することが容易となり、エネルギーデバイスへの実際の適用性を向上できる。
但し、本発明においては、カチオン成分及びアニオン成分の少なくとも一方が分子性であれば、このような利点を享有できる。
【０１２２】
また、疎水性電解質層、親水性電解質層のいずれか一方又は双方においては、電解質材料を、上述の如き分子性カチオンと分子性アニオンの常温溶融塩で構成できる。このとき、常温溶融塩は、高温においても蒸気圧をほとんど示さないため、高温での利用が可能である。
かかる常温溶融塩は、一般に「イオン性液体」と称されており、常温溶融塩であるがゆえに蒸気圧が極めて低く、蒸発し難い。また、難燃性で、熱分解温度が通例２５０℃以上と高く、凝固点も通例は−２０℃以下であり、安定性に優れた材料である。
特に、燃料電池用電解質として用いた場合は、運転時の幅広い温度域で液体状態であり、イオン伝導性が優れるため、優れた発電特性を得ることができる。
【０１２３】
このときは、親水性電解質層には、分子性アニオンとして、ＣＦ３ＳＯ３−イオン、（ＨＦ）ｎＦ−イオン（ｎは１〜３の実数）、ＨＳＯ４−イオン又はＨ２ＰＯ４−イオン、及びこれらの任意の組合せに係るものを含めることが好適である。
これらは、高い親水性を有する電解質材料であり、水と共存し易いことから、系内の水分を一定量に保持しやすい。よって、水による発電特性の向上効果が安定的に得られる。
【０１２４】
また、疎水性電解質層には、分子性アニオンとして、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−イオンを含めることが好適である。
（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−イオンは、疎水性の高い電解質であることから、親水性電解質層中の水の保持能が高くなり易い。よって、水による発電特性の向上効果が安定的に得られる。
【０１２５】
また、疎水性電解質層に含まれる分子性カチオンは、以下の化学式５６〜６４
【０１２６】
【化５６】
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【０１２７】
【化５７】
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【０１２８】
【化５８】
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【０１２９】
【化５９】
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【０１３０】
【化６０】
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【０１３１】
【化６１】
2007073342.tif 000045
【０１３２】
【化６２】
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【０１３３】
【化６３】
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【０１３４】
【化６４】
2007073342.tif 000048
【０１３５】
（化学式５６〜６４中のＲは、同一でも異なっていてもよく、１価の有機基（例えばアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、シクロアルキル基、アリール基、アラルキル基、アシル基、複素環式基など）であって、少なくとも１つが炭素数４以上である。Ａは、酸素原子又は硫黄原子である。）
で表されるイオン、又はこれらイオンを任意に組合わせたものであり、かつ分子性アニオンは、ＰＦ６−イオンである。
【０１３６】
なお、これらのイオンは２種以上を適宜混合して使用してもよい。
また、上記組み合わせにおいて、分子性カチオンが化学式５６〜６４で表されるイオンであって、Ｒが炭素数３以下であり、分子性アニオンがＰＦ６−イオンであるときは、親水性電解質層に含まれる電解質として使用できる。
【０１３７】
また、疎水性電解質層に含まれる分子性カチオンは、上記化学式５６〜６４と同様の構成を有するイオンであり、化学式中のＲの少なくとも１つが炭素数８以上であり、かつ分子性アニオンがＢＦ４−イオンであるものを使用できる。
また、上記組み合わせにおいて、分子性カチオンが化学式５６〜６４で表されるイオンであって、Ｒが炭素数３以下であり、分子性アニオンがＢＦ４−イオンであるときは、親水性電解質層に含まれる電解質として使用できる。
【０１３８】
次に、本発明の燃料電池及び燃料電池システムについて説明する。
上述の如く、本発明の燃料電池は、上述の燃料電池用電解質組成物を用い、当該燃料電池用電解質組成物を、空気極触媒層及び拡散層を有する膜電極接合体と、燃料極触媒層及び拡散層を有する電極接合体とで挟持した構造を有するものである。
このときは、上記燃料電池用電解質組成物が一定量の水分を系内にとどめていることから、優れたイオン伝導性が継続されので、高い発電特性が得られる。
【０１３９】
具体的な構成としては、例えば、燃料電池用電解質組成物が疎水性電解質層と親水性電解質層の２層から成るときは、図１に示すような構成となる。
また、燃料電池用電解質組成物が親水性電解質層を疎水性電解質層で挟持して成るときは、図２に示すような構成となる。
【０１４０】
上記膜電極接合体を構成する電極触媒層には、電極材料として、例えば、ランタンコバルト系酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３など）やランタンマンガン系酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３など）等の空気極材料、ニッケルやニッケルサーメットや白金等の燃料極材料を使用できる。
また、改質触媒として、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）及び鉄（Ｆｅ）などの８族遷移金属や、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化タングステン（ＷＯ２、ＷＯ３など）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）及び酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）などの金属酸化物を使用できる。
【０１４１】
更に、上記膜電極接合体を構成する拡散層としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスなどを使用できる。
【０１４２】
更にまた、疎水性電解質層は、燃料極触媒層及び拡散層を有する電極接合体と接触していることが好適であり、親水性電解質層は、燃料極触媒層及び拡散層を有する電極接合体と接触していることが好適である。
このときは、より燃料電池用電解質組成物内の水分量を制御し易くなる。
【０１４３】
また、この燃料電池を単セルとしてスタッキングすることなどにより、燃料電池（発電）システムを構築することも可能であるが、このシステムが高い発電力を発揮することはいうまでもない。
【０１４４】
なお、イオン性液体を電解質材料として用いると、１００℃以上における発電が可能になるので、自動車などの移動体に搭載した場合、ラジエターの負荷を従来のＰＴＦＣに比べて低減することができる。
この結果、ラジエターを小型化できるのみならず、発電システムが占有する容積を低減したり、軽量化することも可能になる。
【実施例】
【０１４５】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【０１４６】
（実施例１）
（１）２層構造からなる燃料電池用電解質組成物の調製
２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）および親水性のイオン性液体としてＥＭＩｍ  ＢＦ４（ＨＥＭＡ：ＥＭＩｍ  ＢＦ４＝６：４（モル比））を加え、更にラジカル重合開始剤として過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）を０．５％加えた後、型に流し込み８０℃で１２時間重合反応を行った。反応終了後、室温／３時間乾燥＋１００℃／１２時間減圧乾燥を行い、親水性電解質層を作製した。
作製した親水性電解質層のＥＭＩｍ  ＢＦ４含有量に対して１０％の水を滴下し、含浸させた（膜厚５０μｍ）。
【０１４７】
疎水性電解質層は、疎水性のイオン性液体として、ＥＭＩｍ  ＴＦＳＩを使用し、親水性電解質層と同様の方法で作製した（膜厚１０μｍ）。
【０１４８】
（２）２層構造からなる燃料電池用電解質の燃料電池発電試験
燃料電池発電試験の評価装置を図３に示す。電極触媒としては、４０％白金担持カーボン触媒（田中貴金属社製）１５０重量部、グリセロール１重量部、５％ｎａｆｉｏｎ（商標：デュポン社製）溶液１重量部を水７５０重量部に加え、超音波により分散させた。
【０１４９】
この電極触媒を白金量が２ｍｇ／ｃｍ２となるように撥水処理済カーボンペーパー（ガス拡散層、東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ０９０）に塗布し乾燥させることで触媒層付きガス拡散電極を作製した（電極面積４ｃｍ２）。
【０１５０】
ＥＭＩｍ  ＢＦ４を用いた親水性電解質層とＥＭＩｍ  ＴＦＳＩを用いた疎水性電解質層を接触させ、更にその両端からガス拡散電極を接触させることでＭＥＡを作製し、単セルを構成した。
図３に示すように、親水性電解質層を酸素極側として、水素及び酸素をセル内にフローし発電試験を行った。
【０１５１】
（実施例２）
（１）３層構造からなる燃料電池用電解質組成物の調製
実施例１と同様の操作を繰返して、親水性電解質層を作製した。即ち、親水性のイオン性液体としてＥＭＩｍ  ＢＦ４を使用し、ＥＭＩｍ  ＢＦ４含有量に対して１０％の水を滴下し、電解質膜に含浸させた（膜厚５０μｍ）。
【０１５２】
疎水性電解質層は、疎水性のイオン性液体として、ＥＭＩｍ  ＴＦＳＩを使用し、同様の方法で２枚の電解質膜を作製した（膜厚１０μｍ）。
【０１５３】
（２）３層構造からなる燃料電池用電解質の燃料電池発電試験
実施例１と同様の操作を繰返して、ガス拡散電極を作製した。親水性のＥＭＩｍ  ＢＦ４からなる電解質膜の両側から疎水性のＥＭＩｍ  ＴＦＳＩからなる電解質膜を接触させ、さらにその両端からガス拡散電極を接触させることでＭＥＡを作製し、単セルを構成した。
図３に示すように、水素及び酸素をセル内にフローし発電試験を行った。
【０１５４】
（比較例１）
（１）電解質膜の調製
電解質膜の作製は、実施例１と同様の方法で行い、イオン性液体としてＥＭＩｍ  ＢＦ４を使用した（膜厚６０μｍ）。
【０１５５】
（２）吸湿材含有電解質の燃料電池発電試験
実施例１と同様の操作を繰返して、ガス拡散電極を作製した。ＥＭＩｍ  ＢＦ４からなる電解質膜の両端からガス拡散電極を接触させることでＭＥＡを作製し、単セルを構成した。
図３に示すように、水素及び酸素をセル内にフローし発電試験を行った。
【０１５６】
本発明の範囲に属する実施例１及び実施例２では、比較例１に比べて、水の添加効果による発電特性の向上が認められた。
このことは、図４に示す、実施例１と比較例１における発電試験の結果からも明らかである。
【０１５７】
以上、本発明を若干の実施例により詳細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、実施例では、単一組成のイオン性液体を電解質として用いたが、２種類以上のイオン性液体を混合して使用してもよい。
また、イミダゾールのようなオニウム塩となっていないものを混合してもよい。この場合、イミダゾールの非共有結合電子対を持つ窒素原子（Ｎ）もイオン伝導に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】燃料電池用電解質組成物を適用した燃料電池構成の一例を示す概略図である。
【図２】燃料電池用電解質組成物を適用した燃料電池構成の他の例を示す概略図である。
【図３】発電試験装置の仕様を示す概略図である。
【図４】実施例における発電特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５９】
１  親水性電解質層
２  疎水性電解質層
３  電極触媒層
４  ガス拡散層
５  燃料電池用電解質組成物
【図１】
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【図２】
2007073342.tif 000068
【図３】
2007073342.tif 000069
【図４】
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